研究簡介:傳統(tǒng)的藥物治療癌癥不可避免地會帶來毒副作用，并且藥物療效受限于藥物劑量。盡管納米載體的發(fā)展在一定程度上改善了這些問題，但仍然存在藥物載荷能力有限的挑戰(zhàn)。因此，研究者們提出了“無藥物治療”的概念，即不使用傳統(tǒng)藥物，而是利用納米催化劑在治療過程中不斷生成治療性物質(zhì)，從而實現(xiàn)可持續(xù)的治療效果。研究者開發(fā)了一種Z型結(jié)構(gòu)的SnS1.68-WO2.41納米催化劑。這種催化劑能夠在近紅外光（NIR）照射下生成氧化空穴和氫分子，用于聯(lián)合空穴/氫治療。SnS1.68具有窄帶隙（1.49 eV），能夠吸收NIR光并產(chǎn)生氫氣；而WO2.41納米點具有高氧化能力，能夠氧化腫瘤內(nèi)的過量谷胱甘肽（GSH），從而破壞腫瘤微環(huán)境。在NIR光照射下，WO2.41納米點產(chǎn)生的熱電子通過Z型結(jié)構(gòu)注入到SnS1.68納米片中，從而實現(xiàn)高效的光催化氫氣生成和GSH氧化。這種聯(lián)合治療策略通過消耗GSH和生成氫氣，抑制癌細胞的能量代謝，破壞細胞的抗氧化防御系統(tǒng)，從而誘導腫瘤細胞凋亡。

通過細胞實驗驗證了SnS1.68-WO2.41納米催化劑在NIR光照射下的細胞攝取、細胞毒性、對線粒體和DNA的損傷作用，以及對細胞內(nèi)ATP和ROS水平的影響。本研究提出了一種基于光催化的無藥物治療癌癥的新策略，通過聯(lián)合空穴和氫治療，實現(xiàn)了高效、低毒的腫瘤治療效果。這種方法不僅避免了傳統(tǒng)藥物治療的毒副作用，還利用了腫瘤內(nèi)源性物質(zhì)（如GSH）作為治療靶點，具有廣闊的應用前景。

Unisense氫氣微電極的應用

丹麥Unisense微電極被用于檢測氫氣的生成。將反應溶液（包含納米催化劑和10μM的GSH）與檢測溶液通過分子量為3000 Dalton的濾膜隔開，以避免納米顆粒對電極表面光電效應的干擾。通過Unisense氫氣微電極實時監(jiān)測氫氣的生成情況。Unisense微電極測量的氫氣生成數(shù)據(jù)直接證明了SnS1.68–WO2.41納米催化劑在NIR光照射下能夠高效地產(chǎn)生氫氣，且生成速率與激光功率密度呈正相關。這一結(jié)果驗證了納米催化劑的光催化性能，表明其在光催化氫氣生成方面具有高效性和可控性。通過實時監(jiān)測氫氣的生成，證明在無藥物輔助的情況下，納米催化劑能夠通過光催化反應產(chǎn)生具有治療效果的氫氣。這為無藥物治療癌癥的策略提供了有力的實驗支持，展示了該策略在實際應用中的可行性和潛力。氫氣的生成與GSH的消耗相結(jié)合，為本論文的研究者提供了關于納米催化劑如何通過聯(lián)合空穴/氫治療機制破壞腫瘤細胞能量代謝和抗氧化防御系統(tǒng)的直接證據(jù)。

實驗結(jié)論

提出了一種基于光催化的無藥物治療癌癥的新概念，即利用納米催化劑在近紅外光（NIR）照射下生成氧化空穴和氫分子，實現(xiàn)聯(lián)合空穴/氫治療。這種策略不依賴傳統(tǒng)藥物，避免了藥物治療帶來的毒副作用，同時利用腫瘤內(nèi)源性物質(zhì)（如谷胱甘肽，GSH）作為治療靶點，具有可持續(xù)性和高效性。開發(fā)了一種Z型結(jié)構(gòu)的SnS1.68-WO2.41納米催化劑，該催化劑在NIR光照射下能夠高效地生成氫氣和氧化GSH。SnS1.68具有窄帶隙（1.49 eV），能夠吸收NIR光并產(chǎn)生氫氣；而WO2.41納米點具有高氧化能力，能夠氧化GSH，破壞腫瘤微環(huán)境。

圖1、NIR激活的Z型SnS1.68–WO2.41納米催化劑的空穴/氫氣聯(lián)合治療策略和機制的示意圖。

圖2、SnS1.68–WO2.41納米催化劑的形貌、組成和尺寸表征。(a)SEM圖像；(b)對應的STEM圖像；(c)HADDF圖像及元素分布圖；(d,e)SnS?.??–WO?.??納米催化劑的XPS圖譜。這些實驗均獨立重復三次，結(jié)果相似。

圖3、SnS?.??–WO?.??納米催化劑的光電特性及NIR光催化氫氣生成和GSH消耗性能。(a)UV–VIS–NIR吸收光譜；(b)SnS?和SnS?.??–WO?.??的(αhν)1/2和(αhν)2隨能量(hv)變化的帶隙曲線；(c)SnS?和SnS?.??–WO?.??在808 nm激光照射下的光電流密度–電壓(vs.RHE)曲線；(d)NIR光催化氫氣生成和GSH消耗的機制示意圖；(e)SnS?.??–WO?.??納米催化劑在GSH(10μM)水溶液中808 nm激光照射下，不同功率密度條件下的NIR光催化氫氣生成行為；(f)808 nm激光照射下，不同功率密度條件下的SnS?.??–WO?.??納米催化劑的NIR光催化GSH消耗行為。(a,e,f)圖中的實驗均獨立重復三次，結(jié)果相似。

圖4、SnS1.68–WO2.41納米催化劑的空穴/氫氣聯(lián)合治療表現(xiàn)與機制。(a)SnS?.??–WO?.??納米催化劑在細胞內(nèi)培養(yǎng)4小時后的攝取行為；(b)在有/無NIR照射(808 nm,0.2或0.5 W/cm2,10分鐘)的條件下，SnS?.??–WO?.??納米催化劑對4T1細胞的細胞毒性(n=5個生物學獨立樣本)；(c)在有/無NIR照射條件下，SnS?.??–WO?.??處理的4T1細胞內(nèi)ATP水平的監(jiān)測(n=6個生物學獨立樣本)；(d)ROS水平的監(jiān)測(n=6個生物學獨立樣本)；(e)SnS?.??–WO?.??+NIR處理對線粒體的影響(實驗獨立重復三次，結(jié)果相似)；(f)SnS?.??–WO?.??+NIR處理對4T1細胞DNA的影響；(g)基于SnS?.??–WO?.??納米催化劑的空穴/氫氣聯(lián)合治療的機制示意圖。

圖5、SnS1.68–WO2.41納米催化劑的體內(nèi)空穴/氫氣聯(lián)合治療表現(xiàn)。(a)4T1腫瘤體積的監(jiān)測；(b)經(jīng)22天治療后提取的4T1腫瘤的重量；(c)4T1腫瘤的大小(n=5個生物學獨立樣本)；(d)對納米催化劑處理的小鼠，在NIR照射(20分鐘,0.5 W/cm2)前后的腫瘤內(nèi)H?、ATP、GSH和ROS水平(n=5個生物學獨立樣本)；(e)HE染色的腫瘤組織切片。

結(jié)論與展望

許多納米載體被開發(fā)出來，在一定程度上改善了藥物的副作用和藥效限制，但藥物治療仍不可避免地帶來毒副作用和藥效有限的問題。在這項工作中，研究人員提出了一種無藥物治療的概念，并將其定義為一種治療方法，在治療過程中不使用傳統(tǒng)的有毒藥物，也不消耗治療劑，但具有源源不斷的治療能力，最大化治療效果。通過一鍋法開發(fā)了Z型結(jié)構(gòu)SnS1.68–WO2.41納米催化劑，實現(xiàn)了NIR光催化生成孔和氫分子的聯(lián)合孔/氫治療。WO2.41納米點通過Z型路徑輕松產(chǎn)生大量熱電子，并將其注入對NIR敏感的SnS1.68納米片，從而實現(xiàn)高效的NIR光催化。SnS1.68–WO2.41納米催化劑在體內(nèi)外均表現(xiàn)出可控的NIR光催化氫氣生成和GSH氧化，并通過抑制癌細胞能量代謝、提高腫瘤內(nèi)ROS水平和誘導DNA損傷有效殺死癌細胞和抑制腫瘤生長。Unisense微電極測量的氫氣生成數(shù)據(jù)直接證明了SnS1.68–WO2.41納米催化劑在NIR光照射下能夠高效地產(chǎn)生氫氣，且生成速率與激光功率密度呈正相關。實時監(jiān)測氫氣的生成，能夠證明在無藥物輔助的情況下，納米催化劑能夠通過光催化反應產(chǎn)生具有治療效果的氫氣。通過無藥物治療策略，納米催化劑在癌癥治療的療效和生物安全性方面獲得了顯著好處?？偟膩碚f，基于催化劑的無藥物聯(lián)合治療策略是一種有前景的臨床癌癥治療方法。提出的基于催化的無藥物治療策略為實現(xiàn)癌癥治療的高效性和低毒性開辟了一條新途徑。